I2C总线器件应用设计.docx
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I2C总线器件应用设计
2012~2013学年第2学期
《单片机原理及应用》
课程设计报告
题目：
I2C总线器件应用设计
专业：
10自动化
班级：
指导教师：
电气工程系
2013年5月5日
1、任务书
课题名称
I2C总线器件应用设计
指导教师（职称）
林开司
执行时间
2012~2013学年第2学期第10周
学生姓名
学号
承担任务
设计目的
（1）掌握I2C总线器件的读写原理并设计一个器件写入0~4这5个数字，从地址0开始存入，然后把它读出来送到LCD1602液晶显示。
（2）通过设计巩固所学的知识
（3）提高我们的综合实践能力
设计要求
（1）挂接两个I2C总线器件（24C02），分别命名为A和B，向其中一个器件A写入0~4这5个数字，从地址0开始存入。
（2）将A中已经有的5个数倒叙存入B中，从地址0开始存放。
（3）从地址0开始到地址4结束，将B中每个地址的内容显示于数码管中。
（4）扩展：
在掌握了前三个操作原理的基础上，尝试使用I2C器件存储单片机要用到的有用信息，并在需要的时候调用。
摘要
在一些应用系统设计中，有时需要对工作数据进行掉电保护，如电子式电能表等智能化产品。
若采用普通存储器，在掉电时需要备用电池供电，并需要在硬件上增加掉电检测电路，但存在电池不可靠及扩展存储芯片占用单片机过多口线的缺点。
本文采用具有I2C总线接口的串行EEPROM器件AT24C02芯片可很好地解决掉电数据保持问题，且硬件电路简单。
关键字：
I2C总线；时钟信号；LCD液晶；存储芯片
I2C总线器件应用设计
第一章I2C总线的概念
I2C（Inter－IntegratedCircuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
也可以简单地理解为I2C是微控制器与外围芯片的一种通讯协议。
在不同的书籍中，可能会称为I2C，IIC，或者I平方C，但是概念也是一样的，只是叫法不同。
I2C总线特点
I2C总线的优点非常多，其中最主要体现在1：
硬件结构上具有相同的接口界面；2：
电路接口的简单性；3：
软件操作的一致性。
I2C总线占用芯片的引脚非常的少，只需要两组信号作为通信的协议，一条为数据线（SDA），另一条为时钟线（SCL）。
因此减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，所以降低了互联成本。
总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。
I2C总线还具备了另一个优点，就是任何能够进行发送和接收数据的设备都可以成为主控机。
当然，在任何时间点上只能允许有一个主控机。
图1总线连接图
I2C总线的构成及信号类型：
构成：
数据线SDA
时钟线SCL
数据传输的有效规则：
1.SCL高电平期间，SDA保持不变，数据有效。
2.SCL低电平期间，SDA改变，数据变化有效。
应用方式：
1.标准硬件i2C端口（硬核）。
2.软件模拟i2C端口（可编程器件用软件实现）
第二章I2C总线工作原理
图1为I2C总线的连接图。
I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。
在单片机与被控IC之间，最高传送速率100kbps。
各种I2C器件均并联在这条总线上，就像电话线网络一样不会互相冲突，要互相通信就必须拨通其电话号码，每一个I2C模块都有唯一地址。
并接在I2C总线上的模块，既可以是主控器（或被控器），也可以是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。
I2C总线在传送数据过程中共有四种类型信号，它们分别是：
起始信号、停止信号﹑应答信号与非应答信号。
[起始信号]SCL高电平时，SDA产生高到低的下降沿跳变
[停止信号]SCL高电平时，SDA产生低到高的上升沿跳变
[应答信号]接收数据的器件在接收到8bit数据后，向发送数据的器件发出低电平信号，表示已收到数据。
这个信号由接收数据的器件发出。
发送端收到应答信号后，作出分析判断。
若未收到应答信号，则判断为受控单元出现故障。
2.1I2C总线数据的传送规则
起始信号：
在I2C总线工作过程中，当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，定义为起始信号，起始信号由主控机产生。
如图2所示
图2开始信号
停止信号：
当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，定义为停止信号，此信号也只能由主控机产生。
如图3所示。
图3停止信号
应答信号：
I2C总线传送的每个字节为8位，受控的器件在接收到8位数据后，在第9个脉冲必须输出低电平作为应答信号，同时，要求主控器在第9个时钟脉冲位上释放SDA线，以便受控器发出应答信号，将SDA拉低，表示接收数据的应答（如图4所示）。
若果在第9个脉冲收到受控器的非应答信号（如图5所示），则表示停止数据的发送或接收。
图4应答信号图5非应答信号
其次，每启动一次总线，传输的字节数没有限制。
主控件和受控器件都可以工作于接收和发送状态。
总线必须由主器件控制，也就是说必须由主控器产生时钟信号﹑起始信号﹑停止信号。
在时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保特稳定，数据线上的数据状态仅在时钟为低电平的期间才能改变（如图6），而当时钟线为高电平的期间，数据线状态的改变被用来表示起始和停止条件（如图2与3所示）。
图6数据的有效性
2.2总线数据传送的时序要求
为了保证数据传送的可靠性，标准的总线数据传送有着严格的时序要求，如总线上时钟信号的最小低电平周期为4.7us，最小的高电平周期为4us等。
用单片机的普通I/O口模拟总线的数据传送时，单片机的时钟信号都能满足SDA、SCL上升沿、下降沿的时间要求，因此，在时序模拟时，最重要的是保证典型信号。
图7为总线的完整时序，在这里有一点要加以说明的，当主控器接收数据时，在最后一个数据字节，必须发送一个非应答信号，使受控器释放数据线，以便主控器产生一个停止信号来终止总线的数据传送。
图7总线的完整时序
2.3I2C总线的控制程序实现
/*I2C的启动程序*/（时钟线高时，数据线上升沿）
VoidI2CStart（void）
{
SDA=1;//释放数据线
SomeNOP（）;//延时
SCL=1;//时钟线拉高
SomeNOP（）;//延时
SDA=0;//数据线拉低
SomeNOP（）;//延时
SCL=0;//时钟线拉低
SomeNOP（）;//延时
/*I2C的停止程序*/（时钟线高时，数据线上升沿）
voidI2CStop（void）
{
SDA=0;
SomeNOP（）;
SCL=1;
SomeNOP（）;
SDA=1;
SomeNOP（）;
}
/*I2C的应答程序*/
voidACK（void）//Acknowledge信号
{
SDA=0;//发送0，应答
SomeNOP（）;
SCL=1;
SomeNOP（）;//产生时钟高电平
SCL=0;
SomeNOP（）;
}
voidNACK（void）//没有Acknowledge信号
{
SDA=1;//发送1，非应答
SomeNOP（）;
SCL=1;
SomeNOP（）;//产生时钟高电平
SCL=0;
SomeNOP（）;
}
下面我们来看一下关于I2C总线的读操作与写操作：
图8总线写格式
写操作就是主控器件向受控器件发送数据，如图8所示。
首先，主控器会对总线发送起始信号，紧跟应该是第一个字节的8位数据，但是从地址只有7位，所谓从地址就是受控器的地址，而第8位是受控器约定的数据方向位，“0”为写，从图7中我们可以清楚地看到发送完一个8位数之后应该是一个受控器的应答信号。
应答信号过后就是第二个字节的8位数据，这个数多般是受控器件的寄存器地址，寄存器地址过后就是要发送的数据，当数据发送完后就是一个应答信号，每启动一次总线，传输的字节数没有限制，一个字节地址或数据过后的第9个脉冲是受控器件应答信号，当数据传送完之后由主控器发出停止信号来停止总线。
写8位数据
bitWrite8Bit（unsignedcharinput）{
unsignedchartemp;
for（temp=8;temp!
=0;temp--）{
SDA=（bit）（input&0x80）;
SCL=1;
SCL=0;
input=input<<1;
}
}
图9总线读格式
读操作指受控器件向主控器件发送数，其总线的操作格式如图5-28。
首先，由主控器发出起始信号，前两个传送的字节与写操作相同，但是到了第二个字节之后，就要从新启动总线，改变传送数据的方向，前面两个字节数据方向为写，即“0”；第二次启动总线后数据方向为读，即“1”；之后就是要接收的数据。
从图9的写格式中我们可以看到有两种的应答信号。
一种是受控器的，另一种是主控器的。
前面三个字节的数据方向均指向受控器件，所以应答信号就由受控器发后出。
但是后面要接收的N个数据则是指向主控器件，所以应答信号应由主控器件发出，当N个数据接收完成之后，主控器件应发出一个非应答信号，告知受控器件数据接收完成，不用再发送。
最后的停止信号同样也是由主控器发出。
读8位数据
unsignedcharRead8Bit（）{
unsignedchartemp,rbyte=0;
for（temp=8;temp!
=0;temp--）{
SCL=1;
rbyte=rbyte<<1;
rbyte=rbyte|（（unsignedchar）（SDA））;
SCL=0;
}
return（rbyte）;
}
2.4I2C器件24C02
24C02是一个2K串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节，该器件通过I2C总线接功能列表。
图1024C02引脚排列
管脚名称
功能
A0﹑A1﹑A2
这三个引脚用于多个器件同时使用时设置区分器件地址，当这些引脚悬空时默
认为0。
在同一总线中最多可同时使用8个24C02器件。
如果总线只有一个24C02器件被寻址，这三个地址可悬或接地。
SDA
双向串行数据/地址管脚，用于器件所有数据的发送或接收，SDA是一个开漏输出管脚。
SCL
串行时钟。
串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟，这是一个输入管脚
WP
写保护引脚。
当WP引脚连接到VCC时芯片里面的内容为只读内容而不能进行写操作。
而当WP引脚连接到VSS时芯片里面的内容可进行正常的读/写操作。
VCC
+1.8V~6.0V工作电压
VSS
地
图1124C02引脚功能
图12是DIP封装的24C02与80C51的接口方案。
其中A0、A1、A2是芯片地址线，单片使用时接地；SCL是串行移位时钟端；SDA是串行数据或地址端，CPU通过SDA访问芯片；WP是写保护端，接高电平时芯片只能读。
图1224C02执行写操作时与80C51的接口
第三章I2C总线器件应用设计图
3.1复位电路及时钟电路
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。
复位/时钟电路
3.2系统显示电路
第四章仿真分析
由单片机向24C02—A号芯片写入“01234”，然后单片机再从该芯片相应的存储单元中读出刚才写入的信息，然后送LCD1602显示，显示如下图所示：
将24C02—A中读出”01234”信息，反过来送24C02—B存储，然后在LCD1602上显示如下图：
第五章心得与体会
这次我们做的是单片机课程设计，有很多的收获与体会，有关于电力电子方面的，更多的是关于人与人之间关系方面的。
我在自己的努力下，在老师同学们的帮助下，终于把整个课程设计完成了，实现了预定的目标。
在几天几夜的努力，终于有了头绪，然后又在同学的帮助下，找到了一些参考书，又在这写书的帮助下了解了电力电子设计的各种方法，在设计过程中常常出现一些棘手的问题，不过在团队的合作下，我们最终找到了解决的方法。
一个多星期后我们的课程设计终于完成了，虽然还有很多不完善的地方，但我们的基本目标已经实现。
我们回顾了很多以前的东西，也发现了很多的问题，以前都没遇见过的，收获很大，而且我还学会了使用一些新的软件。
看着我们大家做的课程设计，自己就会又欣慰又难过，欣慰的是我们终于把它做出来了，而且，做的还好，难过的是自己知道还有很多的不足，但是，由于认识的有限，无法去完善，才知道“书到用时方恨少”！
此次单片机课程设计让我们对软开关技术游乐更深入的了解，可以把它同实际相结合，同时，又让我们学会了一个新的应用软件。
在整个设计过程中，通过怎样对把实际问题和所学的知识联系起来分析，锻炼了我们对事情的分析能力，通过怎样解决过程中出现的问题，提高了我们查找文献的能力、对网络资源的利用能力和和其他同学的交流沟通能力。
而且，经历这次的课程设计，我们也学会了自学和分工协作。
我们觉得每一次的课程设计，都是让我们对原有的知识从了解表面到深入本质，从个体学习到整体把握的跳跃，对新知识的汲取，更是让我们把课本的知识应用到实际中，让我们了解了我们的学习有什么用，能够解决什么样的问题，增加我们的自信和学习的动力。
总之，通过这次的课程设计，我们收获匪浅。
参考文献
[1]李广弟等单片机基础北京航空航天出版社，2001.7
[2]楼然苗等51系列单片机设计实例北京航空航天出版社，2003.3
[3]唐俊翟等单片机原理与应用冶金工业出版社，2003.9
[4]刘瑞新等单片机原理及应用教程机械工业出版社，2003.7
[5]吴国经等单片机应用技术中国电力出版社，2004.1
[6]李全利，迟荣强编著单片机原理及接口技术高等教育出版社，2004.1
[7]侯媛彬等，凌阳单片机原理及其毕业设计精选2006年，科学出版社
[8]罗亚非，凌阳十六位单片机应用基础2003年北京航空航天大学出版社
[9]北京北阳电子有限公司，061A凌阳单片机及其附带光盘2003年
[10]张毅刚等，MCS-51单片机应用设计，哈工大出版社，2004年第2版
附录
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
unsignedcharcodedis_code1[]={"24C02_A"};
unsignedcharcodedis_code2[]={"24C02_B"};
bitwrite=0;//写24C02的标志；
sbitsda=P2^4;
sbitscl=P2^3;
sbitlcden=P3^4;//液晶使能端
sbitlcdrs=P3^5;//液晶数据命令选择端
ucharsec,tcnt;
voiddelay（）
{;;}
voiddelay1ms（uintxms）
{
uinti,j;
for（i=xms;i>0;i--）//i=xms即延时约xms毫秒
for（j=110;j>0;j--）;
}
voidwrite_com（ucharcom）
{
lcdrs=0;
P0=com;
delay1ms（5）;
lcden=1;
delay1ms（5）;
lcden=0;
}
voidwrite_data（uchardate）
{
lcdrs=1;
P0=date;
delay1ms（5）;
lcden=1;
delay1ms（5）;
lcden=0;
}
voidinitlcd（）
{
lcden=0;
write_com（0x38）;//设置16X2显示,5X7点阵,8位数据接口
write_com（0x0c）;//设置开显示，不显示光标
write_com（0x06）;//写一个字符后地址指针加1
write_com（0x01）;//显示清零，数据指针清零
}
voidstart（）//开始信号
{
sda=1;
delay（）;
scl=1;
delay（）;
sda=0;
delay（）;
}
voidstop（）//停止
{
sda=0;
delay（）;
scl=1;
delay（）;
sda=1;
delay（）;
}
voidrespons（）//应答
{
uchari;
scl=1;
delay（）;
while（（sda==1）&&（i<250））i++;
scl=0;
delay（）;
}
voidno_ack（）
{
sda=1;
scl=1;
delayNOP（）;
sda=0;
scl=0;
}
voidinitIIC（）
{
sda=1;
delay（）;
scl=1;
delay（）;
}
voidwrite_byte（uchardate）
{
uchari,temp;
temp=date;
for（i=0;i<8;i++）
{
temp=temp<<1;
scl=0;
delay（）;
sda=CY;
delay（）;
scl=1;
delay（）;
}
scl=0;
delay（）;
sda=1;
delay（）;
}
ucharread_byte（）
{
uchari,k;
scl=0;
delay（）;
sda=1;
delay（）;
for（i=0;i<8;i++）
{
scl=1;
delay（）;
k=（k<<1）|sda;
scl=0;
delay（）;
}
returnk;
}
voidwrite_add（ucharadrIC,ucharaddress,uchardate）
{
start（）;
write_byte（adrIC）;
respons（）;
write_byte（address）;
respons（）;
write_byte（date）;
respons（）;
stop（）;
}
ucharread_add（ucharadrIC,ucharaddress）
{
uchardate;
start（）;
write_byte（adrIC）;
respons（）;
write_byte（address）;
respons（）;
start（）;
write_byte（adrIC|1）;
respons（）;
date=read_byte（）;
//no_ack（）;
stop（）;
returndate;
}
voidwr_string（unsignedcharstr[]）
{
unsignedcharnum=0;
for（num=0;num<16;num++）
{
write_data（str[num]）;
delay1ms（100）;
}
}
voidlcd_display（unsignedcharadd,unsigneddat）
{
}
voidmain（）
{
unsignedchari,date,data_b;
unsignedcharj=0;
initIIC（）;
initlcd（）;
write_com（0x80）;
wr_string（dis_code1）;
delay1ms（1000）;
for（i=0;i<5;i++）//向1602中连续写入01234；
{
write_add（0xa0,i,i）;
delay1ms（5）;
}
for（i=0;i<5;i++）//读出A中的值送LCD1602显示
{
date=read_add（0xa0,i）;
write_com（0xc0+2+i）;
write_data（0x30+date）;
}
delay1ms（200）;
write_com（0x01）;
write_com（0x80）;
wr_string（dis_code2）;
while
（1）;
}
7、答辩记录及评分表
课题名称
I2C总线器件应用设计
答辩教师（职称）
答辩时间
答
辩
记
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